Il contributo degli edifici, sia residenziali che commerciali, nei confronti dei consumi energetici è aumentato negli ultimi decenni raggiungendo circa il 40% dei consumi energetici globali e il 36% delle emissioni di gas serra, superando i settori dell'industria e dei trasporti (28% e 32%). In particolare, nel settore commerciale gli edifici ad uffici sono quelli che riportano i maggiori consumi energetici ed emissioni di anidride carbonica. Ad esempio, in Spagna essi rappresentano il 33% dei consumi energetici relativi al settore commerciale e circa il 2,7% dei consumi totali. Gli usi energetici per i quali si registrano i consumi maggiori negli edifici ad uffici nel caso spagnolo sono i dispositivi (10%), l'illuminazione (33%) e gli impianti di climatizzazione e di riscaldamento e raffrescamento (52%). Poiché il settore edilizio riporta consumi energetici elevati, da essi ne deriva anche un importante potenziale di risparmio energetico. Il settore edilizio, quindi, assume un ruolo prioritario per l'Unione europea nel tentativo di raggiungere il suo l'obiettivo di ridurre del 20% il consumo di energia primaria per il 2020. In particolare, la Direttiva 2012/27/UE del Parlamento europeo e del Consiglio del 25 ottobre 2012 impone che gli Stati membri mettano a punto delle strategie a lungo termine per migliorare l'efficienza energetica del parco immobiliare.

L'efficienza energetica applicata agli edifici è l'insieme delle azioni che consentono di consumare meno e meglio, garantendo condizioni di comfort all'interno di ambienti confinati tenendo in considerazione le condizioni climatiche di riferimento, l'orientamento ed il contesto urbano. Un edificio efficiente deve, quindi, seguire tre direttive principali: limitare le dispersioni di energia attraverso l'involucro edilizio, ottimizzare l'utilizzo delle fonti energetiche non rinnovabili e massimizzare lo sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili. Gli interventi per l'efficienza energetica proposte dalla direttiva sono operazioni che riguardano l'involucro edilizio, gli impianti termici ed elettrici e l'applicazione di sistemi di gestione energetica.

Controllare, monitorare e gestire l'uso dell'energia all'interno di un edificio comporta un considerevole abbattimento dei consumi energetici dello stesso. Queste funzionalità possono oggigiorno essere svolte attraverso i cosiddetti BACS (Building Automation and Control System), ovvero sistemi di controllo computerizzati, software e hardware, in grado di monitorare, regolare e controllare gli impianti a servizio degli edifici. Con il più specifico termine BEMS (Building Energy Management System) sono indicati i sistemi di controllo dedicati in maniera specifica agli impianti energetici presenti negli edifici. I servizi energetici gestiti dai BEMS sono la climatizzazione invernale ed estiva, la ventilazione meccanica e/o naturale, la produzione di acqua calda sanitaria e l'illuminazione artificiale e/o naturale. Essi assumono una particolare importanza poiché consentono di ottimizzare le prestazioni del sistema edificio-impianto in fase di esercizio, garantendo le condizioni di comfort e di qualità dell'aria all'interno dell'ambiente costruito.

La gestione e il controllo dell'energia negli edifici può portare a notevoli vantaggi. Diversi studi dimostrano che la correzione di problemi a livello di controllo dell'energia negli edifici può ridurre i consumi di energia primaria fino al 70%. La letteratura riporta numerose strategie di gestione e controllo dell'energia per i servizi energetici gestiti dai energy management system. La tabella seguente mostra le principali strategie di gestione per i servizi energetici gestiti dai BEMS proposte dalla letteratura.

L'approccio della DCV ha come obiettivo la riduzione del consumo energetico mantenendo la qualità dell'aria interna minima modulando la portata di aria esterna in funzione della concentrazione di anidride carbonica, dipendente dall'occupazione in zona. A seconda dell'utilizzo di profili di occupazione standard o derivanti dall'analisi di dati orari in tempo reale, la CCh-based DCV può portare ad una riduzione dei consumi energetici pari al 56%. L'applicazione del sistema passivo di raffrescamento della ventilazione notturna ha effetti di riduzione della temperatura interna e del carico di raffrescamento sull'impianto pari al 20,5% , introducendo in ambiente aria esterna nelle ore notturne se le condizioni climatiche sono favorevoli. Come per la strategia appena descritta, anche il sistema economizzatore ha effetti sul carico di raffrescamento. L'impatto di quest'azione dipende considerevolmente dal tipo di controllo applicato e dalle condizioni climatiche esterne. I risultati riportati da letteratura mostrano riduzioni sui consumi energetici fino al 18% e fino al 23% se implementato con una demand control ventilation basato sulla concentrazione di anidride carbonica. Allo stesso modo, la ventilazione notturna è una strategia basata sull'immissione di aria esterna in ambiente durante le ore notturne che può portare fino ad un risparmio sui consumi di raffrescamento pari al 5% e superiori se integrata con altre strategie. A proposito delle strategie legate all'impianto di riscaldamento e raffrescamento, la letteratura propone diverse azioni di controllo quali l'accensione e lo spegnimento dell'impianto sulla base dei profili di occupazione, Voptimum start and stop e la teoria del comfort adattativo. Facendo variare l'on/off dell'impianto sulla base dell'occupazione o posticipare l'accensione e anticipare lo spegnimento possono ridurre i consumi sul riscaldamento e raffrescamento rispettivamente tra il 10-15% e il 26,7%. Per quanto riguarda l'applicazione della teoria del comfort adattativo, la letteratura riporta risparmi energetici tra il 7 e il 34%. Come spiegato nella sezione 2.2.3, l'occupazione condiziona numerose azioni di controllo degli impianti ma le strategie che si concentrano solo sulla gestione dell'occupante non sono numerose. Si concentrano, in particolare, sulle strategie di dislocamento degli occupanti, riportando riduzioni nei consumi energetici tra il 13 e 15%.

All'interno del panorama di ricerca internazionale sono state identificate numerose iniziative legate all'ottimizzazione dell'energia nelle città e negli edifici. Tra di essi, il progetto europeo OPTIMUS "OPTIM ising energy use in cities through smart decision system", finanziato nell'ambito del programma FP7, il Settimo progetto quadro per la ricerca e lo sviluppo tecnologico (2007-2013), ha come obiettivi progettare, sviluppare e fornire un sistema di supporto decisionale (DSS) integrato con una piattaforma ITC, che aiuti le autorità locali ad ottenere una significativa riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO2 nei loro edifici. All'interno di questo contesto si inserisce questa tesi, i cui obiettivi sono di delineare un quadro generale da letteratura sulle azioni di gestione energetica negli edifici e di valutare l'impatto di alcune strategie applicate ad uno degli edifici casi studio del progetto OPTIMUS, la sede del Comune di Sant Cugat des Vallés (Spagna).

Il lavoro è stato strutturato in tre fasi. La prima fase di analisi dello stato dell'arte sulle strategie di gestione dell'energia negli edifici è stata essenziale al fine di definire le azioni applicabili agli edifici terziari, e in particolare al caso studio preso in analisi. Poiché la valutazione degli impatti derivanti dall'applicazione delle azioni di gestione è stata effettuata mediante un modello di simulazione dinamico di tipo white box, nella seconda fase del lavoro è stato creato il modello della sede del Comune di Sant Cugat ed è stato calibrato sulla base dei consumi energetici reali ricavati dalle bollette delle utenze per avere una baseline di consumi energetici per il confronto nella valutazione dell'impatto dell'applicazione delle strategie. Le azioni di gestione scelte tra quelle individuate dall'analisi di letteratura sono state applicate al caso studio prima singolarmente e successivamente integrate, e i risultati delle simulazioni sono stati confrontati con la baseline per valutarne gli impatti sui consumi di energia consegnata e, in alcuni casi, anche sul comfort degli occupanti.

2.2.2.Controllo sull'impianto di riscaldamento e raffrescamento

2.2.3.Controllo sull'occupazione

2.2.4.Controllo sull'illuminazione

2.3.Ottimizzazione dell'utilizzo di energia nel panorama internazionale

3.Metodologia del lavoro

3.1.Acquisizione dei dati di input

3.1.1.Dati climatici

3.1.2.Caratteristiche dell'edificio

3.1.3.Dati sull'utilizzo

3.2.Fase pre-action

3.2.1.Creazione del modello di simulazione

3.2.2.Calibrazione del modello di simulazione

3.3.Fase post-action

3.4.Valutazione degli impatti

4.La sede del Municipio di Sant Cugat des Vallés

4.1.Acquisizione dei dati di input

4.1.1.Descrizione delle condizioni climatiche al contorno

4.1.2.Descrizione del fabbricato e ipotesi di modellazione

4.1.3.Descrizione dell'impianto e ipotesi di modellazione

4.1.4.Descrizione degli utilizzi e della gestione dell'edificio e ipotesi di modellazione

4.2.Fase pre-action

4.2.1.Analisi dei consumi

4.2.2.Calibrazione del modello di simulazione

4.3.Fase post-action e valutazione degli impatti

4.3.1.Analisi del comportamento energetico dell'edificio e scelta delle azioni di gestione

4.3.2.Regola 1: Il comfort adattativo

4.3.2.1.Teoria del comfort adattativo e ipotesi di modellazione

4.3.2.2.Valutazione degli impatti

4.3.3.Regola 2: Il sistema economizzatore

4.3.3.1.Teoria del sistema economizzatore e ipotesi di modellazione

4.3.3.2.Analisi delle strategie proposte

4.3.3.3.Confronto tra le strategie

4.3.3.4.Valutazione degli impatti

4.3.3.5.Analisi di sensibilità

4.3.4.Schermature solari

4.3.4.1.Ipotesi di modellazione di schermature solari

4.3.4.2.Valutazione degli impatti

4.3.5.Integrazione delle strategie di gestione

5.Conclusioni

6.Bibliografia

Sun, Z., Wang, S.,Ma, Z. In-situ implementation and validation of a C02-based adaptive demand-controlled ventilation strategy in a multi-zone office building.. 2011, Building and Environment, p. 124-133

Kolokotroni, M., Aronis, A. Cooling-energy reduction in air-conditioned offices by using night ventilation. 1999, Applied Energy, p. 241-253

Son, J. E., Lee, K. H. Cooling energy performance analysis depending on the economizer cycle control methods in an office building. 2016, Energy and Buildings, p. 45-57

Brandemuehl, M. J., Braun, J. E. The impact of demand-controlled and economizer ventilation strategie on energy use in buildings. 1999, ASHRAE Transactions, Annual Meeting

Argawal, Y., Balaji, B., Gupta, R., Lyles, J., Wei, M., Weng, T., Occupancy-Driven Energy Management for Smart Building Automation. 2010, BuildSys

Canbay, C. S. Optimization of HVAC Control Strategies by Building Management System Case Study: Ozdilek Shopping Center. Department of Energy Engineering, Izmir Institute of Technology. Izmir, Turkey : s.n., 2003

Yang, Z., Becerik-Gerber, B. The coupled effects of personalized occupancy profile based HVAC schedules and room reassignment on building energy use. Energy and Buildings.

2014,p.113-122

Jones Mei, P., Building Energy Management Systems (BEMS). Fundamental. 2011

Colemenar-Santos, A., Teran de Lober, L.N., Borge-Diez, D., Castro-Gil, M. Solution to reduce energy consumption in the management of large buildings. 2013, Energy and Buildings, p. 66-77

Doukas, H., Patlitzianas, K. D., Iatropoulos, K., Psarras, J. Intelligent building energy management system using rule set. 2007, Building and Environment, p. 3562-3569

Capozzoli, A., Como, F., Corrado, V., Gorrino, A. The overall architecture of a Decision Support System for public buildings. Energy Procedia. 2015, p. 2196-2201

OPTIMUS. Optimizing energy use in cities through smart decision support system. http ://www. optimus- smartcitv ,eu/.

Nassif, N., Kajl, S. e Sabourin, R. Ventilation control strategy using the supply C02 concentration set point. Heating Ventilation Air conditioning & Refrigeration Research. 2005, p. 239-262

Xu, H. X., Wang, S. W., Sun, Z. W., Xiao, F. A model-based optimal ventilation control strategy of multi-zone VAV air-conditioning system. Applied Thermal Engineering. 2009, p. 91-104

Solgi, E., Fayaz, R., Kari, B. M. Cooling load reduction in office buildings of hot-arid climate, combining phase change materials and night purge ventilation, Renewable Energy. 2016, p. 725-731

Bulut, H., Aktacir, M. A. Determination of free cooling potential: a case study for Istanbul. Applied Energy. 2011, p. 680-689

Xu, X. G., Sit, K. Y., Deng, S. M., Chan, M. Y. Thermal comfort in an office with intermittent air-conditioning operation. Building Services Engineering Research and Technology. 2010, p. 91-100

Pavlovas, V. Demand controlled ventilation: a case study for existing Swedish multifamily buildings. Energy and Buildings. 2004, p. 1029-1034

Erickson, V. L., Lin, Y., Kamthe, A., Brahme, R., Surana, A., Cerpa, A. E. Energy efficient building environment control strategies using real-time occupancy measurements. Proceedings of the 1st ACM Workshop on Embedded Sensing Systems for Energy - Efficiency in Buildings, 2009 p. 7-12

Budaiwi, I., Abdou, A. HVAC system operational strategies for reduced energy consumption in buildings with intermittent occupancy: The case of mosques. Energy Conversion and Management, 2013, p. 37-50

McCartney, K. J., Nicol, F. J. Developing an adaptive control algorithm for Europe. 2002, p. 623-635

Egan, A. A. The Potential Energy Savings through the use of adaptive comfort cooling setpoints in fully airconditioned Australian office buildings, a simulation study. Ecolibrium. 2010.

Bhaskoro, P. T., Gilani, S. I. U. H., Aris, M. S. Simulation of energy saving potential of a centralized HVAC system in an academic building using adaptive cooling technique. 2013, Energy Conversion and Management, p. 617-628

Mui, K. W. H., Chan, W. T. D. Adaptive comfort temperature model of air-conditioned building in Hong Kong. 2003, Building and Environment, p. 837-852

Hoyt, T., Arens, E., Zhang, H. Extending air temperature setpoints: Simulated energy savings and design consideration for new and retrofit buildings. Building and Environment.

p.89-96

Attia, S. e Cariucci, S. Impact of different thermal comfort models on zero energy residential buildings in hot climate. Energy and Buildings. 2015, p. 117-128 Ryckaert, W. R., et al. Criteria for energy efficient lighting in buildings. Energy and Buildings. 2010, p. 341-347

Aghemo, C., et al. Management and monitoring of public buildings throught ICT based system: Control rules for energy saving with lighting and HVAC services. Frontiers of Architetural Research. 2013, p. 147-161 SEMANCO. http://www.semanco-proiect.eu/

CiTInEs. http://www.citines.com/

ENRIMA. http://www.minerva-communication.eu/portfolioentry/enrima-proiect/

(EVO), Efficiency Valuation Organization. International Performance Measurement and Verification Protocol (IPMVP). 2009. Vol. 1

Fabrizio, E., Monetti, V. Methodologies and Advancements in the Calibration of Building

Energy Models. Energies. 2015, p. 2548-2574

Wheater Underground, https://www.wunderground.eom/es//barcellona

ISO/DIS 185231-1:2016 Energy performance of buildings - Schedule and condition of

building, zone and space usage for energy calculation - Part 1: Non-residential buildings

Platt, G., Ward, J., Wall, J. Optimal Supervisory HVAC Control: Experiences in Australia.

2010. International High Performance Building Conference at Purdue

UNI 10339 Impianti aeraulici a fini di benessere. Generalità, classificazione e requisitivi.

Regole per la richiesta d'offerta, l'offerta, l'ordine e la fornitura, giugno 1995

Energea. Certificaciò energètica Ajuntament de Sant Cugat del Vallès. 2014

Ansaldi, R. Thermal quality assessment in existing buildings, Tesi di Dottorato, Politecnico

di Torino. 5 2008

Stefanutti, L., [a cura di]. Manuale degli impianti di climatizzazione, s.l. : Tecniche nuove, 2008. Vol. vol. 2

Bittner, B. e Lechner, R. A policy framework for Energy Performance Assessment for existing dwellings. EPA-ED 2014

Use of NOAA ESRL DATA, ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2 mm mlo.txt EnergyPlus Version 8.5 Documentation, Engineering Reference. 31 03 2016 Lawrence, T. Demand-Controlled Ventilation and Sustainability. ASHRAE Journal, Dicembre 2004